JP2004042834A - 車両の駆動制御装置 - Google Patents
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Abstract
【目的】エンジン回転数を燃費効率の良い目標エンジン回転数に維持する。
【構成】遊星歯車機構16のサンギヤ16aを発電機14に、エンジン10をキャリア16dに、無段変速機18及び駆動輪20をリングギヤ16bに接続する。目標エンジン回転数tNeがリングギヤ回転数Nr以上の場合、クラッチ28を締結してリングギヤ16bとキャリア16dとをロックアップし、リングギヤ回転数Nrを目標エンジン回転数tNeへ近づけるように無段変速機18を変速制御する。tNeがNrより低い場合、クラッチ28を開放し、NrをtNeへ近づけるように、無段変速機18を変速制御するとともに発電機14を減速制御する。
【選択図】 図1
【構成】遊星歯車機構16のサンギヤ16aを発電機14に、エンジン10をキャリア16dに、無段変速機18及び駆動輪20をリングギヤ16bに接続する。目標エンジン回転数tNeがリングギヤ回転数Nr以上の場合、クラッチ28を締結してリングギヤ16bとキャリア16dとをロックアップし、リングギヤ回転数Nrを目標エンジン回転数tNeへ近づけるように無段変速機18を変速制御する。tNeがNrより低い場合、クラッチ28を開放し、NrをtNeへ近づけるように、無段変速機18を変速制御するとともに発電機14を減速制御する。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両の駆動制御装置に関し、特に、差動歯車装置の3つの歯車要素を、それぞれ発電機,エンジン,駆動輪に接続し、発電機の回転数を調整することによりエンジン回転数を制御可能な駆動制御装置の改良に関する。
【0002】
【従来の技術】
車両推進源にエンジンを備えた車両では、燃料消費量の低減化や出力向上を図るために、エンジンを燃費効率の良い回転領域で運転することが望ましい。特開平9−117010号公報には、遊星歯車機構の3つの歯車要素を、それぞれエンジン、発電機、駆動輪に接続し、発電機の回転数を制御することにより、エンジン回転数を制御する技術が開示されている。特開平11−332011号公報には、クラッチの入力軸にエンジンを接続するとともに、クラッチの出力軸にモータと無断変速機の入力軸とを接続し、この無段変速機の出力軸から駆動輪へ動力を伝達するハイブリッド車両が開示されている。この車両では、無断変速機によりエンジン回転数を所定の範囲で無段階に制御することが可能である。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
上記特開平9−117010号公報のハイブリッド車両では、遊星歯車機構と駆動輪との間には、減速比を変更できない固定式の減速機が設けられており、減速機の入力回転数は車速に応じてのみ増減する。従って、エンジンを最大効率領域内で作動させるために、高速走行時にエンジン回転数を下げようとすると、負方向に回転している発電機に負方向のトルクを与え、この発電機を負回転方向へ力行運転する必要があり、バッテリから電力を消費するおそれがある。バッテリ蓄電量すなわちSOCが高位にある場合、つまり長い下り坂などで回生電力を多く回収した直後のような場合には、上記のように発電機を力行運転することも充分に可能であるが、SOCが少ないような場合には、発電機の力行運転ができないか、あるいは後で回生運転を行い電力を回収する必要があり、燃費の低下等を招くおそれがある。発電機の回転数を高速走行時でも正回転させるために減速機のギヤ比を小さくして減速機の入力回転数を下げようとすると、モータに要求されるトルクが大きくなり、モータの大型化やコストの上昇を招くおそれがある。上記のような高速走行時に、発電機が回生運転となるように発電機を正方向に回転させようとすると、エンジン回転数が最良燃費線よりも大幅に高くなって、燃費の低下を招くおそれがある。
【0004】
上記の特開平11−332011号公報のハイブリッド車両では、無段変速機を変速制御することにより、所定の運転領域ではエンジン回転数を燃費効率の良い目標エンジン回転数に維持できるものの、無段変速機の変速比と車速とによって実現可能な無段変速機の入力回転数が制限されているため、高速走行時等ではエンジン回転数が目標エンジン回転数よりも高くなってしまう。
【0005】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、差動歯車装置と無段変速機とを併用し、幅広い運転領域でエンジン回転数を燃費効率の良い目標エンジン回転数に効率的に維持し得る新規な車両の駆動制御装置を提供することを主たる目的としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る車両の駆動制御装置は、発電機に接続する第1の歯車要素と、エンジンに接続する第2の歯車要素と、駆動輪に接続する第3の歯車要素と、を有する差動歯車装置と、第3の歯車要素と駆動輪との間の動力伝達経路に設けられる無段変速機と、第2の歯車要素と第3の歯車要素とをロックアップ可能なクラッチと、を有している。車両運転状態に基づいて目標エンジン回転数を設定するとともに、第3の歯車要素の回転数に相当する第3歯車回転数を検出又は推定し、この第3歯車回転数が目標エンジン回転数へ近づくように、無段変速機を変速制御する。上記目標エンジン回転数と第3歯車回転数とを比較し、少なくとも目標エンジン回転数が第3歯車回転数以上であることを含む第1の条件のときに、クラッチを締結し、少なくとも目標エンジン回転数が第3歯車回転数より低いことを含む第2の条件のときに、クラッチを開放する。そして、上記第2の条件のときに、エンジン回転数が目標エンジン回転数へ近づくように発電機を制御する。
【0007】
【発明の効果】
本発明によれば、目標エンジン回転数が第3歯車回転数以上であるような場合には、クラッチを締結して無段変速機を変速制御することにより、差動歯車装置の変速によるエネルギーロスを招くことなく、エンジン回転数を目標エンジン回転数に維持することができ、かつ、目標エンジン回転数が第3歯車回転数より低いような場合には、クラッチを開放して無段変速機を変速制御するとともに発電機を制御することにより、エンジン回転数を目標回転数に維持することができる。このように、幅広い運転領域で、エンジン回転数を目標回転数に効率的に維持することができ、燃費及び出力の向上を図ることができる。
【0008】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の一実施例に係る車両の駆動制御装置を示す概略構成図である。この装置は、車両推進源としてエンジン10及び駆動モータ12を備えるとともに、発電機14、差動歯車装置としての遊星歯車機構16、無段変速機18、及び一対の駆動輪20を連繋する車輪軸22等を有している。
【0009】
エンジン10は、周知のように、ガソリンや軽油を燃焼することにより駆動力を生じる。駆動モータ12及び発電機14は、共に、インバータ26を介してバッテリ24に接続され、力行運転及び回生運転の双方が可能な三相交流型のモータ・ジェネレータである。バッテリ24は、駆動モータ12や発電機14に電力を供給したり、駆動モータ12や発電機14で発電・回生した電力を充電する。例えばモータ走行時には、バッテリ24の直流電気エネルギーをインバータ26で三相交流に変換し、その交流電気エネルギーを駆動モータ12で機械エネルギーに変換して、車輪軸22へ伝達する。回生・制動時には、エンジン10や駆動輪20側から伝達される機械エネルギーをモータ12で三相交流エネルギーに変換し、更にインバータ26で直流に変換して、バッテリ24へ充電する。
【0010】
遊星歯車機構16は、発電機14に接続するサンギヤ16a(第1の歯車要素)と、駆動輪20側に接続するリングギヤ16b(第3の歯車要素)と、同心円状に配置されたサンギヤ16aの外周とリングギヤ16bの内周に噛合う複数のピニオンギヤ16cと、複数のピニオンギヤ16cを回転自在に支持するとともに、エンジン10に接続するキャリア16d(第2の歯車要素)と、を有し、かつ、上記のリングギヤ16bとキャリア16dとを機械的に固定可能なロックアップ式のクラッチ28を備えている。
【0011】
無段変速機18は、変速比を最大(最ロー)から最小(最ハイ)の範囲で連続的に変更可能なベルト式又はトロイダル式の自動変速機であり、リングギヤ16bと駆動輪20との間の動力伝達経路に設けられている。
【0012】
駆動モータ12は、リングギヤ16bと無段変速機18の間の動力伝達経路に設けられ、この実施例では無段変速機18の入力軸に直列に接続されている。駆動モータ12や発電機14は、回転を増大させようと動作するとき、つまり正回転時に正トルクを出力するときや、負回転時に負トルクを出力するときには、モータとして機能し、インバータ26を介してバッテリ24から電力を消費する。また、駆動モータ12や発電機14は、回転を減少させようと動作するとき、つまり正回転時に負トルクを出力するときや、負回転時に正トルクを出力するときには、発電機として機能し、インバータ26を介してバッテリ24に充電する。
【0013】
車両を走行させるために必要な駆動力は、主としてエンジン10とモータ12が出力する。典型的には、エンジン効率が良くない低速域や中高速低負荷域では、モータ12のみを車両推進源とするモータ走行を行い、エンジン効率の良い運転域では、エンジン10を主たる車両推進源とするエンジン走行を行い、エンジン10の出力のみでは車両の要求駆動力が得られないような場合には、バッテリ24からモータ12へ電力を供給してモータ12を力行運転し、このモータトルクをエンジントルクに上乗せ(アシスト)する。このモータ12は、車両減速時に回生運転を行なうことにより減速エネルギーを回収し、インバータ26を介してバッテリ24に充電したり、エンジン走行中に発電機として動作させることもできる。
【0014】
次に、遊星歯車機構16の動作について説明する。リングギヤ16bの歯数をZr、サンギヤ16aの歯数をZs、リングギヤ16bとサンギヤ16aのギヤ比をλとすると、λ=Zs/Zrの関係となる。リングギヤ16bの回転数をNr、サンギヤ16aの回転数をNs、キャリア16dの回転数をNcとすると、これらの回転数とλの関係は、次式(1)となる。
【0015】
【数1】
Nr+λNs=(1+λ)Nc…(1)
無段変速機18の入力回転数に相当するリングギヤ回転数Nrは、車速と無段変速機18の変速比のみに応じて変化し、例えば高速走行時のように無段変速機18の変速比が最小に維持されている状況では、車速に応じて変動する。従って、図2の共線図に示すように、サンギヤ16aの回転数(発電機14の回転数)を調整・制御することにより、キャリア16dの回転数、すなわちエンジン回転数を変更・制御することができる。遊星歯車機構16の2つのギヤを固定すると、Nr=Ns=Ncとなり、ギヤ比1で動作する。従って、ロックアップクラッチ28によりリングギヤ16bとキャリア16dとを締結すると、遊星歯車機構16を構成する3つの歯車要素16a,16b,16dが一体的に回転する。
【0016】
再び図1を参照して、このハイブリッド車両は、周知のCPU,ROM,RAM及び入出力インターフェースを備え、様々な機能をプログラムとして記憶・実行する制御装置30〜36を備えている。すなわち、このハイブリッド車両は、燃料噴射制御や点火時期制御のようなエンジン制御を行うエンジン制御装置31と、インバータ26を介して駆動モータ12の回転数やトルクを制御するモータ制御装置32と、インバータ26を介して発電機14の回転数やトルクを制御する発電機制御装置33と、バッテリ24の充電状態を検出するバッテリ制御装置34と、車両走行状況に応じてロックアップクラッチ28の締結・開放を切換制御するクラッチ制御装置35と、無段変速機18を変速制御する変速機制御装置36と、を備えている。これらの制御装置31〜36は、車両の動作を統括的に制御する車両制御装置30と電気的に接続されている。この車両制御装置30は、アクセル開度センサ37、車速センサ38、及び回転センサ39のような各種センサから検出される車両運転状態に基づいて、後述する図5〜図10に示すような制御ルーチンを実行する。
【0017】
図5〜10は、本実施例に係る制御の流れを示すフローチャートである。図5を参照して、S(ステップ)1では、アクセル開度センサ37で検出されるアクセル開度を読み込む。S2では、車速センサ38で検出される車速を読み込む。S3では、バッテリ制御装置34で検出されるバッテリ充電状態(SOC)を読み込む。S4では、アクセル開度と車速に基づいて、車両走行に必要な車両要求駆動出力を求める。この車両要求駆動出力は、典型的には、アクセル開度と車速とをパラメータとして予め用意したマップから検索する。また、SOCからバッテリの要求発電出力を求める。この要求発電出力は、例えば、予めSOC毎に設定された数値を使用する。これら車両要求駆動出力と要求発電出力の和に、補機等の消費電力やパワートレイン損失分を加味して、車両要求出力Preqを求める。
【0018】
S5では、このPreqと、モータ走行許可出力Pmableと、を比較する。モータ走行許可出力Pmableは、モータ12自体の定格特性及びバッテリ24の充電状態(SOC)等に基づいて車両制御装置30により算出される。PreqがPmableよりも大きい場合にはエンジン走行モード(図7)へ移行し、少なくともPreqがPmable以下であることを含む所定のモータ走行条件の時にはモータ走行モード(図6)へ移行する。
【0019】
図6を参照して、モータ走行モードについて説明する。S6では適宜な回転センサ等により検出又は推定されるモータ12の回転数を読み込む。S7では車両駆動出力とモータ回転数からモータ12の目標トルクを算出する。S8ではこの目標トルクをモータ制御装置32へ指令する。S9では、モータ12が効率の良い回転数で動作するように、上記の目標トルク及び車速に応じて無段変速機18の目標(入力)回転数を設定し、これを変速機制御装置36へ指令する。この指令を受けて無段変速機18が変速制御される。このモータ走行中、発電機14が無負荷状態であれば(トルク制御や回転数制御が行われていなければ)、図3の(A)に示すように、エンジン10のフリクションによりキャリア16dの回転数が0(ゼロ)へ向かい、サンギヤ16aがリングギヤ16bに対して逆回転する。
【0020】
図7を参照して、エンジン走行モードについて説明する。S10では、回転センサ39により検出されるエンジン10の実回転数rNeを読み込む。S10’では、車両要求出力Preqとエンジンの最良燃費線(図4参照)とに基づいて、目標エンジン回転数tNeを算出する。すなわち、アクセル開度等に基づいて設定されるエンジン目標トルクを、図4に示すような制御マップ上の最良燃費線上にマッピングして、目標回転数tNeを設定する。S11では、エンジンが点火されているかを判断する。点火されていなければエンジン始動モード(図8)へ移行する。点火されていればS12へ進み、無段変速機18の目標入力回転数として目標回転数tNeを変速機制御装置36へ指令する。S13では、指令を受けて変速機制御装置36が無段変速機18の変速制御を開始する(変速制御手段)。
【0021】
車速が低い状況等では、無段変速機18の変速比を制御することにより、ロックアップクラッチ28が締結されていても、無段変速機18の入力回転数、すなわちリングギヤ回転数Nrを目標エンジン回転数tNeに維持することができる。しかしながら、車速が高い場合等では、ロックアップクラッチ28が締結されていると、無段変速機18の変速比を最小に設定しても、リングギヤ回転数Nrを目標エンジン回転数tNeまで下げることができない。例えば図4のA点で加速していて、その後車両の要求出力が減少した場合、目標エンジン回転数は最良燃費線上の点Bとなる。しかしながら、高車速域では無断変速機の最小ギヤ比(最ハイ)の制約で、リングギヤ回転数Nrは、最小ギヤ比時平坦路走行負荷曲線と等出力線とが交わるC点までしか下げることができない。そこで本実施例では、目標エンジン回転数tNeとリングギヤ回転数Nrとの比較に基づいて、ロックアップクラッチ28の締結−開放を切り換えている。
【0022】
詳しくは、S13aでは、リングギヤ回転数Nrを読み込む。このリングギヤ回転数Nrは、周知の回転センサ等を用いて直接的に検出しても良く、あるいは駆動モータ12の回転数を代用しても良く、あるいは車速と無段変速機18の変速状態とに基づいて演算・推定しても良い。
【0023】
S14では、このリングギヤ回転数Nrと目標エンジン回転数tNeとを比較する(比較手段)。すなわち、S13〜S14では、リングギヤ回転数Nrが目標エンジン回転数tNeへ近づくように、無段変速機18を変速制御した上で、リングギヤ回転数Nrが目標エンジン回転数tNe以上であるかを比較している。つまり、S14の判定は、無段変速機18の変速比が最小のときのリングギヤ回転数Nr、すなわちリングギヤ回転数Nrの下限値が、目標エンジン回転数tNe以上であるかを判定していると言い換えることができる。
【0024】
tNeがNr以上であることを含む第1の条件のとき、すなわちロックアップクラッチ28を締結したままでも無段変速機18を変速制御することによりリングギヤ回転数Nrを目標エンジン回転数tNeに維持することができる運転条件のときには、ロックアップクラッチ28を締結する遊星固定モード(図9)へ移行し、tNeがNrよりも低いことを含む第2の条件のとき、すなわちロックアップクラッチ28を締結したままでは無段変速機18を変速制御してもリングギヤ回転数Nrを目標エンジン回転数tNeまで下げることができない運転条件のときには、ロックアップクラッチ28を開放する遊星差動モード(図10)へ移行する。
【0025】
図8を参照して、上記のエンジン始動モードについて説明する。典型的にはモータ走行モードからエンジン始動モードへ移行する。モータ走行中には、エンジンフリクションを軽減するためにロックアップクラッチ28が開放されているため、発電機14が無負荷状態であれば、エンジンフリクションによりエンジン回転数はほぼ0(ゼロ)に維持されている。従って、上記の式(1)及び図3の(A)から明らかなように、発電機14は負回転(リングギヤ16bに対して逆回転)となる。この発電機の実回転数は、例えばリングギヤ回転数Nrとエンジン回転数rNeから求めることができる。エンジン10を点火・始動するためには、エンジン回転数をエンジン始動可能回転数Nestart(例えば600回転)まで上げる必要がある。このエンジン始動可能回転数Nestartに対応する発電機の目標回転数を演算し、この目標回転数と上記発電機の実回転数との差に基づいて、発電機の目標トルクを演算し、この目標トルクを発電機制御装置33へ指令する(S15)。これにより発電機が正回転方向に増速制御され、エンジン回転数がNestartへ向けて上昇していく。このようにエンジン回転数がNestartへ向けて上昇していく過程では、典型的には、発電機の目標トルクが常に正トルクで、発電機は負回転から正回転へ移行するため、負回転しているときには発電していることになってバッテリへ電力を充電し、正回転しているときにはバッテリから電力を消費することになる。S16では、実エンジン回転数rNeとNestartとを比較する。rNeがNestartに達すると、エンジンの始動(燃料供給及び火花点火)を開始する(S17)。典型的なエンジン始動モードの共線図を図3の(B’)→(B)に示す。
【0026】
図9を参照して、上記の遊星固定モードについて説明する。S18では、ロックアップクラッチ28が締結状態(ON)であるか開放状態(OFF)であるかを判定する。クラッチ28がONであれば、車両要求出力とエンジン実回転数rNeとによりエンジン目標トルクtTeを計算し(S22)、この目標トルクtTeをエンジン制御装置31へ指令する(S23)。このようにクラッチが締結されている場合、エンジン10の出力は直接的に発電機14と駆動輪20側とに伝達される。エンジン目標トルクtTeがエンジン最大トルクTemaxよりも大きい場合、可能であれば不足分(tTe−Temax)のトルクをモータ12によりアシストする。また、tTeが目標駆動出力tTdよりも大きい場合、余剰分(tTd−tTe)のトルクを発電機14とモータ12の一方もしくは両方で回生する。
【0027】
S18でクラッチが開放状態であると判定されれば、S19へ進み、実エンジン回転数rNeとリングギヤ回転数Nrとをほぼ等しくするように、発電機の目標回転数又は目標トルクを演算して、この目標回転数又は目標トルクを発電機制御装置33へ指令する。S20において、rNeとNrとがほぼ等しくなり、ロックアップクラッチ28をスムーズに締結できると判断されると、S21へ進み、ロックアップクラッチ28を締結する(クラッチ切換手段)。クラッチ締結後には、上述したように、車両要求出力とエンジン実回転数rNeとによりエンジン目標トルクtTeを計算し(S22)、この目標トルクtTeをエンジン制御装置31へ指令する(S23)。この遊星固定モードの典型的な共線図を図3(C)及び(D)に示す。
【0028】
なお、ロックアップクラッチ28が締結されているか開放されているかにかかわらず、上述したS12,S13の処理により、リングギヤ回転数Nrが目標エンジン回転数tNeへ近づくように、無段変速機18は変速制御される。
【0029】
図10を参照して、上記の遊星差動モードについて説明する。まず、ロックアップクラッチの状態を検出し、クラッチが締結されていればS24からS25へ進み、クラッチ28を速やかに開放する(クラッチ切換手段)。S26では、目標エンジン回転数tNeとリングギヤ回転数Nrとの差に基づいて発電機の目標回転数(又は目標トルク)を算出し、この目標回転数(又は目標トルク)を発電機制御装置33へ指令して、発電機を回転数制御(又はトルク制御)する(発電機制御手段)。あるいは、tNeとrNeより発電機の目標トルクを計算し、この目標トルクを発電機制御装置33に指令する。この遊星差動モードにおいては、tNeがrNeより小さいので、発電機の目標トルクは負トルクとなり、発電機14は減速制御され、バッテリ24が充電されることになる。従って、仮にバッテリ24のSOCが低くても、この図10に示すルーチンを行うことができる。S27では車両要求出力とrNeよりエンジンの目標トルクを計算し、この目標トルクをエンジン制御装置に指令する(S28)。この遊星差動モードの典型的な共線図を図3(C)→(B)に示す。
【0030】
以上のように本実施例では、目標エンジン回転数tNeがリングギヤ回転数Nr以上であるような場合には、クラッチ28を締結して無段変速機18を変速制御することにより、遊星歯車機構16の変速によるエネルギーロスを招くことなく、エンジン回転数を目標回転数tNeに維持することができ、かつ、目標エンジン回転数tNeがリングギヤ回転数Nrより低くなるような場合には、クラッチ28を開放して無段変速機18を変速制御するとともに発電機14を減速制御することにより、エンジン回転数を目標回転数tNeに維持することができる。このように、幅広い運転領域で、エンジン回転数を目標回転数に効率的に維持することができ、燃費及び出力の向上を図ることができる。
【0031】
好ましくは、上述したステップS14の判断が既定値以上継統するかをカウントし、既定値以上継続する場合にのみ、遊星固定モードから遊星差動モード、あるいは遊星差動モードから遊星固定モードへ移行する。すなわち、目標エンジン回転数tNeがリングギヤ回転数Nr以上であることを含む第1の条件又は目標エンジン回転数tNeがリングギヤ回転数Nrより低いことを含む第2の条件が所定期間継続するまで、ロックアップクラッチ28の締結−開放を禁止する(切換禁止手段)。これにより、ロックアップクラッチ28の締結・開放の切換が過度に繰り返されることを防止でき、無駄なエネルギーロスを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に係る車両のトルク制御装置を示す概略構成図。
【図2】本実施例に係る遊星歯車機構の共線図。
【図3】同じく本実施例に係る遊星歯車機構の共線図。
【図4】エンジンの回転数−トルク特性を示す特性図。
【図5】本実施例の制御の流れを示すフローチャートの一部。
【図6】モータ走行モードの処理内容を示す上記フローチャートの一部。
【図7】エンジン走行モードの処理内容を示す上記フローチャートの一部。
【図8】エンジン始動モードの処理内容を示す上記フローチャートの一部。
【図9】遊星固定モードの処理内容を示す上記フローチャートの一部。
【図10】遊星差動モードの処理内容を示す上記フローチャートの一部。
【符号の説明】
10…エンジン
12…モータ
14…発電機
16…遊星歯車機構(差動歯車装置)
16a…サンギヤ(第1の歯車要素)
16b…リングギヤ(第3の歯車要素)
16d…キャリア(第2の歯車要素)
18…無段変速機
20…車輪
24…バッテリ
28…ロックアップクラッチ
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両の駆動制御装置に関し、特に、差動歯車装置の3つの歯車要素を、それぞれ発電機,エンジン,駆動輪に接続し、発電機の回転数を調整することによりエンジン回転数を制御可能な駆動制御装置の改良に関する。
【0002】
【従来の技術】
車両推進源にエンジンを備えた車両では、燃料消費量の低減化や出力向上を図るために、エンジンを燃費効率の良い回転領域で運転することが望ましい。特開平9−117010号公報には、遊星歯車機構の3つの歯車要素を、それぞれエンジン、発電機、駆動輪に接続し、発電機の回転数を制御することにより、エンジン回転数を制御する技術が開示されている。特開平11−332011号公報には、クラッチの入力軸にエンジンを接続するとともに、クラッチの出力軸にモータと無断変速機の入力軸とを接続し、この無段変速機の出力軸から駆動輪へ動力を伝達するハイブリッド車両が開示されている。この車両では、無断変速機によりエンジン回転数を所定の範囲で無段階に制御することが可能である。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
上記特開平9−117010号公報のハイブリッド車両では、遊星歯車機構と駆動輪との間には、減速比を変更できない固定式の減速機が設けられており、減速機の入力回転数は車速に応じてのみ増減する。従って、エンジンを最大効率領域内で作動させるために、高速走行時にエンジン回転数を下げようとすると、負方向に回転している発電機に負方向のトルクを与え、この発電機を負回転方向へ力行運転する必要があり、バッテリから電力を消費するおそれがある。バッテリ蓄電量すなわちSOCが高位にある場合、つまり長い下り坂などで回生電力を多く回収した直後のような場合には、上記のように発電機を力行運転することも充分に可能であるが、SOCが少ないような場合には、発電機の力行運転ができないか、あるいは後で回生運転を行い電力を回収する必要があり、燃費の低下等を招くおそれがある。発電機の回転数を高速走行時でも正回転させるために減速機のギヤ比を小さくして減速機の入力回転数を下げようとすると、モータに要求されるトルクが大きくなり、モータの大型化やコストの上昇を招くおそれがある。上記のような高速走行時に、発電機が回生運転となるように発電機を正方向に回転させようとすると、エンジン回転数が最良燃費線よりも大幅に高くなって、燃費の低下を招くおそれがある。
【0004】
上記の特開平11−332011号公報のハイブリッド車両では、無段変速機を変速制御することにより、所定の運転領域ではエンジン回転数を燃費効率の良い目標エンジン回転数に維持できるものの、無段変速機の変速比と車速とによって実現可能な無段変速機の入力回転数が制限されているため、高速走行時等ではエンジン回転数が目標エンジン回転数よりも高くなってしまう。
【0005】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、差動歯車装置と無段変速機とを併用し、幅広い運転領域でエンジン回転数を燃費効率の良い目標エンジン回転数に効率的に維持し得る新規な車両の駆動制御装置を提供することを主たる目的としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る車両の駆動制御装置は、発電機に接続する第1の歯車要素と、エンジンに接続する第2の歯車要素と、駆動輪に接続する第3の歯車要素と、を有する差動歯車装置と、第3の歯車要素と駆動輪との間の動力伝達経路に設けられる無段変速機と、第2の歯車要素と第3の歯車要素とをロックアップ可能なクラッチと、を有している。車両運転状態に基づいて目標エンジン回転数を設定するとともに、第3の歯車要素の回転数に相当する第3歯車回転数を検出又は推定し、この第3歯車回転数が目標エンジン回転数へ近づくように、無段変速機を変速制御する。上記目標エンジン回転数と第3歯車回転数とを比較し、少なくとも目標エンジン回転数が第3歯車回転数以上であることを含む第1の条件のときに、クラッチを締結し、少なくとも目標エンジン回転数が第3歯車回転数より低いことを含む第2の条件のときに、クラッチを開放する。そして、上記第2の条件のときに、エンジン回転数が目標エンジン回転数へ近づくように発電機を制御する。
【0007】
【発明の効果】
本発明によれば、目標エンジン回転数が第3歯車回転数以上であるような場合には、クラッチを締結して無段変速機を変速制御することにより、差動歯車装置の変速によるエネルギーロスを招くことなく、エンジン回転数を目標エンジン回転数に維持することができ、かつ、目標エンジン回転数が第3歯車回転数より低いような場合には、クラッチを開放して無段変速機を変速制御するとともに発電機を制御することにより、エンジン回転数を目標回転数に維持することができる。このように、幅広い運転領域で、エンジン回転数を目標回転数に効率的に維持することができ、燃費及び出力の向上を図ることができる。
【0008】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の一実施例に係る車両の駆動制御装置を示す概略構成図である。この装置は、車両推進源としてエンジン10及び駆動モータ12を備えるとともに、発電機14、差動歯車装置としての遊星歯車機構16、無段変速機18、及び一対の駆動輪20を連繋する車輪軸22等を有している。
【0009】
エンジン10は、周知のように、ガソリンや軽油を燃焼することにより駆動力を生じる。駆動モータ12及び発電機14は、共に、インバータ26を介してバッテリ24に接続され、力行運転及び回生運転の双方が可能な三相交流型のモータ・ジェネレータである。バッテリ24は、駆動モータ12や発電機14に電力を供給したり、駆動モータ12や発電機14で発電・回生した電力を充電する。例えばモータ走行時には、バッテリ24の直流電気エネルギーをインバータ26で三相交流に変換し、その交流電気エネルギーを駆動モータ12で機械エネルギーに変換して、車輪軸22へ伝達する。回生・制動時には、エンジン10や駆動輪20側から伝達される機械エネルギーをモータ12で三相交流エネルギーに変換し、更にインバータ26で直流に変換して、バッテリ24へ充電する。
【0010】
遊星歯車機構16は、発電機14に接続するサンギヤ16a(第1の歯車要素)と、駆動輪20側に接続するリングギヤ16b(第3の歯車要素)と、同心円状に配置されたサンギヤ16aの外周とリングギヤ16bの内周に噛合う複数のピニオンギヤ16cと、複数のピニオンギヤ16cを回転自在に支持するとともに、エンジン10に接続するキャリア16d(第2の歯車要素)と、を有し、かつ、上記のリングギヤ16bとキャリア16dとを機械的に固定可能なロックアップ式のクラッチ28を備えている。
【0011】
無段変速機18は、変速比を最大(最ロー)から最小(最ハイ)の範囲で連続的に変更可能なベルト式又はトロイダル式の自動変速機であり、リングギヤ16bと駆動輪20との間の動力伝達経路に設けられている。
【0012】
駆動モータ12は、リングギヤ16bと無段変速機18の間の動力伝達経路に設けられ、この実施例では無段変速機18の入力軸に直列に接続されている。駆動モータ12や発電機14は、回転を増大させようと動作するとき、つまり正回転時に正トルクを出力するときや、負回転時に負トルクを出力するときには、モータとして機能し、インバータ26を介してバッテリ24から電力を消費する。また、駆動モータ12や発電機14は、回転を減少させようと動作するとき、つまり正回転時に負トルクを出力するときや、負回転時に正トルクを出力するときには、発電機として機能し、インバータ26を介してバッテリ24に充電する。
【0013】
車両を走行させるために必要な駆動力は、主としてエンジン10とモータ12が出力する。典型的には、エンジン効率が良くない低速域や中高速低負荷域では、モータ12のみを車両推進源とするモータ走行を行い、エンジン効率の良い運転域では、エンジン10を主たる車両推進源とするエンジン走行を行い、エンジン10の出力のみでは車両の要求駆動力が得られないような場合には、バッテリ24からモータ12へ電力を供給してモータ12を力行運転し、このモータトルクをエンジントルクに上乗せ(アシスト)する。このモータ12は、車両減速時に回生運転を行なうことにより減速エネルギーを回収し、インバータ26を介してバッテリ24に充電したり、エンジン走行中に発電機として動作させることもできる。
【0014】
次に、遊星歯車機構16の動作について説明する。リングギヤ16bの歯数をZr、サンギヤ16aの歯数をZs、リングギヤ16bとサンギヤ16aのギヤ比をλとすると、λ=Zs/Zrの関係となる。リングギヤ16bの回転数をNr、サンギヤ16aの回転数をNs、キャリア16dの回転数をNcとすると、これらの回転数とλの関係は、次式(1)となる。
【0015】
【数1】
Nr+λNs=(1+λ)Nc…(1)
無段変速機18の入力回転数に相当するリングギヤ回転数Nrは、車速と無段変速機18の変速比のみに応じて変化し、例えば高速走行時のように無段変速機18の変速比が最小に維持されている状況では、車速に応じて変動する。従って、図2の共線図に示すように、サンギヤ16aの回転数(発電機14の回転数)を調整・制御することにより、キャリア16dの回転数、すなわちエンジン回転数を変更・制御することができる。遊星歯車機構16の2つのギヤを固定すると、Nr=Ns=Ncとなり、ギヤ比1で動作する。従って、ロックアップクラッチ28によりリングギヤ16bとキャリア16dとを締結すると、遊星歯車機構16を構成する3つの歯車要素16a,16b,16dが一体的に回転する。
【0016】
再び図1を参照して、このハイブリッド車両は、周知のCPU,ROM,RAM及び入出力インターフェースを備え、様々な機能をプログラムとして記憶・実行する制御装置30〜36を備えている。すなわち、このハイブリッド車両は、燃料噴射制御や点火時期制御のようなエンジン制御を行うエンジン制御装置31と、インバータ26を介して駆動モータ12の回転数やトルクを制御するモータ制御装置32と、インバータ26を介して発電機14の回転数やトルクを制御する発電機制御装置33と、バッテリ24の充電状態を検出するバッテリ制御装置34と、車両走行状況に応じてロックアップクラッチ28の締結・開放を切換制御するクラッチ制御装置35と、無段変速機18を変速制御する変速機制御装置36と、を備えている。これらの制御装置31〜36は、車両の動作を統括的に制御する車両制御装置30と電気的に接続されている。この車両制御装置30は、アクセル開度センサ37、車速センサ38、及び回転センサ39のような各種センサから検出される車両運転状態に基づいて、後述する図5〜図10に示すような制御ルーチンを実行する。
【0017】
図5〜10は、本実施例に係る制御の流れを示すフローチャートである。図5を参照して、S(ステップ)1では、アクセル開度センサ37で検出されるアクセル開度を読み込む。S2では、車速センサ38で検出される車速を読み込む。S3では、バッテリ制御装置34で検出されるバッテリ充電状態(SOC)を読み込む。S4では、アクセル開度と車速に基づいて、車両走行に必要な車両要求駆動出力を求める。この車両要求駆動出力は、典型的には、アクセル開度と車速とをパラメータとして予め用意したマップから検索する。また、SOCからバッテリの要求発電出力を求める。この要求発電出力は、例えば、予めSOC毎に設定された数値を使用する。これら車両要求駆動出力と要求発電出力の和に、補機等の消費電力やパワートレイン損失分を加味して、車両要求出力Preqを求める。
【0018】
S5では、このPreqと、モータ走行許可出力Pmableと、を比較する。モータ走行許可出力Pmableは、モータ12自体の定格特性及びバッテリ24の充電状態(SOC)等に基づいて車両制御装置30により算出される。PreqがPmableよりも大きい場合にはエンジン走行モード(図7)へ移行し、少なくともPreqがPmable以下であることを含む所定のモータ走行条件の時にはモータ走行モード(図6)へ移行する。
【0019】
図6を参照して、モータ走行モードについて説明する。S6では適宜な回転センサ等により検出又は推定されるモータ12の回転数を読み込む。S7では車両駆動出力とモータ回転数からモータ12の目標トルクを算出する。S8ではこの目標トルクをモータ制御装置32へ指令する。S9では、モータ12が効率の良い回転数で動作するように、上記の目標トルク及び車速に応じて無段変速機18の目標(入力)回転数を設定し、これを変速機制御装置36へ指令する。この指令を受けて無段変速機18が変速制御される。このモータ走行中、発電機14が無負荷状態であれば(トルク制御や回転数制御が行われていなければ)、図3の(A)に示すように、エンジン10のフリクションによりキャリア16dの回転数が0(ゼロ)へ向かい、サンギヤ16aがリングギヤ16bに対して逆回転する。
【0020】
図7を参照して、エンジン走行モードについて説明する。S10では、回転センサ39により検出されるエンジン10の実回転数rNeを読み込む。S10’では、車両要求出力Preqとエンジンの最良燃費線(図4参照)とに基づいて、目標エンジン回転数tNeを算出する。すなわち、アクセル開度等に基づいて設定されるエンジン目標トルクを、図4に示すような制御マップ上の最良燃費線上にマッピングして、目標回転数tNeを設定する。S11では、エンジンが点火されているかを判断する。点火されていなければエンジン始動モード(図8)へ移行する。点火されていればS12へ進み、無段変速機18の目標入力回転数として目標回転数tNeを変速機制御装置36へ指令する。S13では、指令を受けて変速機制御装置36が無段変速機18の変速制御を開始する(変速制御手段)。
【0021】
車速が低い状況等では、無段変速機18の変速比を制御することにより、ロックアップクラッチ28が締結されていても、無段変速機18の入力回転数、すなわちリングギヤ回転数Nrを目標エンジン回転数tNeに維持することができる。しかしながら、車速が高い場合等では、ロックアップクラッチ28が締結されていると、無段変速機18の変速比を最小に設定しても、リングギヤ回転数Nrを目標エンジン回転数tNeまで下げることができない。例えば図4のA点で加速していて、その後車両の要求出力が減少した場合、目標エンジン回転数は最良燃費線上の点Bとなる。しかしながら、高車速域では無断変速機の最小ギヤ比(最ハイ)の制約で、リングギヤ回転数Nrは、最小ギヤ比時平坦路走行負荷曲線と等出力線とが交わるC点までしか下げることができない。そこで本実施例では、目標エンジン回転数tNeとリングギヤ回転数Nrとの比較に基づいて、ロックアップクラッチ28の締結−開放を切り換えている。
【0022】
詳しくは、S13aでは、リングギヤ回転数Nrを読み込む。このリングギヤ回転数Nrは、周知の回転センサ等を用いて直接的に検出しても良く、あるいは駆動モータ12の回転数を代用しても良く、あるいは車速と無段変速機18の変速状態とに基づいて演算・推定しても良い。
【0023】
S14では、このリングギヤ回転数Nrと目標エンジン回転数tNeとを比較する(比較手段)。すなわち、S13〜S14では、リングギヤ回転数Nrが目標エンジン回転数tNeへ近づくように、無段変速機18を変速制御した上で、リングギヤ回転数Nrが目標エンジン回転数tNe以上であるかを比較している。つまり、S14の判定は、無段変速機18の変速比が最小のときのリングギヤ回転数Nr、すなわちリングギヤ回転数Nrの下限値が、目標エンジン回転数tNe以上であるかを判定していると言い換えることができる。
【0024】
tNeがNr以上であることを含む第1の条件のとき、すなわちロックアップクラッチ28を締結したままでも無段変速機18を変速制御することによりリングギヤ回転数Nrを目標エンジン回転数tNeに維持することができる運転条件のときには、ロックアップクラッチ28を締結する遊星固定モード(図9)へ移行し、tNeがNrよりも低いことを含む第2の条件のとき、すなわちロックアップクラッチ28を締結したままでは無段変速機18を変速制御してもリングギヤ回転数Nrを目標エンジン回転数tNeまで下げることができない運転条件のときには、ロックアップクラッチ28を開放する遊星差動モード(図10)へ移行する。
【0025】
図8を参照して、上記のエンジン始動モードについて説明する。典型的にはモータ走行モードからエンジン始動モードへ移行する。モータ走行中には、エンジンフリクションを軽減するためにロックアップクラッチ28が開放されているため、発電機14が無負荷状態であれば、エンジンフリクションによりエンジン回転数はほぼ0(ゼロ)に維持されている。従って、上記の式(1)及び図3の(A)から明らかなように、発電機14は負回転(リングギヤ16bに対して逆回転)となる。この発電機の実回転数は、例えばリングギヤ回転数Nrとエンジン回転数rNeから求めることができる。エンジン10を点火・始動するためには、エンジン回転数をエンジン始動可能回転数Nestart(例えば600回転)まで上げる必要がある。このエンジン始動可能回転数Nestartに対応する発電機の目標回転数を演算し、この目標回転数と上記発電機の実回転数との差に基づいて、発電機の目標トルクを演算し、この目標トルクを発電機制御装置33へ指令する(S15)。これにより発電機が正回転方向に増速制御され、エンジン回転数がNestartへ向けて上昇していく。このようにエンジン回転数がNestartへ向けて上昇していく過程では、典型的には、発電機の目標トルクが常に正トルクで、発電機は負回転から正回転へ移行するため、負回転しているときには発電していることになってバッテリへ電力を充電し、正回転しているときにはバッテリから電力を消費することになる。S16では、実エンジン回転数rNeとNestartとを比較する。rNeがNestartに達すると、エンジンの始動(燃料供給及び火花点火)を開始する(S17)。典型的なエンジン始動モードの共線図を図3の(B’)→(B)に示す。
【0026】
図9を参照して、上記の遊星固定モードについて説明する。S18では、ロックアップクラッチ28が締結状態(ON)であるか開放状態(OFF)であるかを判定する。クラッチ28がONであれば、車両要求出力とエンジン実回転数rNeとによりエンジン目標トルクtTeを計算し(S22)、この目標トルクtTeをエンジン制御装置31へ指令する(S23)。このようにクラッチが締結されている場合、エンジン10の出力は直接的に発電機14と駆動輪20側とに伝達される。エンジン目標トルクtTeがエンジン最大トルクTemaxよりも大きい場合、可能であれば不足分(tTe−Temax)のトルクをモータ12によりアシストする。また、tTeが目標駆動出力tTdよりも大きい場合、余剰分(tTd−tTe)のトルクを発電機14とモータ12の一方もしくは両方で回生する。
【0027】
S18でクラッチが開放状態であると判定されれば、S19へ進み、実エンジン回転数rNeとリングギヤ回転数Nrとをほぼ等しくするように、発電機の目標回転数又は目標トルクを演算して、この目標回転数又は目標トルクを発電機制御装置33へ指令する。S20において、rNeとNrとがほぼ等しくなり、ロックアップクラッチ28をスムーズに締結できると判断されると、S21へ進み、ロックアップクラッチ28を締結する(クラッチ切換手段)。クラッチ締結後には、上述したように、車両要求出力とエンジン実回転数rNeとによりエンジン目標トルクtTeを計算し(S22)、この目標トルクtTeをエンジン制御装置31へ指令する(S23)。この遊星固定モードの典型的な共線図を図3(C)及び(D)に示す。
【0028】
なお、ロックアップクラッチ28が締結されているか開放されているかにかかわらず、上述したS12,S13の処理により、リングギヤ回転数Nrが目標エンジン回転数tNeへ近づくように、無段変速機18は変速制御される。
【0029】
図10を参照して、上記の遊星差動モードについて説明する。まず、ロックアップクラッチの状態を検出し、クラッチが締結されていればS24からS25へ進み、クラッチ28を速やかに開放する(クラッチ切換手段)。S26では、目標エンジン回転数tNeとリングギヤ回転数Nrとの差に基づいて発電機の目標回転数(又は目標トルク)を算出し、この目標回転数(又は目標トルク)を発電機制御装置33へ指令して、発電機を回転数制御(又はトルク制御)する(発電機制御手段)。あるいは、tNeとrNeより発電機の目標トルクを計算し、この目標トルクを発電機制御装置33に指令する。この遊星差動モードにおいては、tNeがrNeより小さいので、発電機の目標トルクは負トルクとなり、発電機14は減速制御され、バッテリ24が充電されることになる。従って、仮にバッテリ24のSOCが低くても、この図10に示すルーチンを行うことができる。S27では車両要求出力とrNeよりエンジンの目標トルクを計算し、この目標トルクをエンジン制御装置に指令する(S28)。この遊星差動モードの典型的な共線図を図3(C)→(B)に示す。
【0030】
以上のように本実施例では、目標エンジン回転数tNeがリングギヤ回転数Nr以上であるような場合には、クラッチ28を締結して無段変速機18を変速制御することにより、遊星歯車機構16の変速によるエネルギーロスを招くことなく、エンジン回転数を目標回転数tNeに維持することができ、かつ、目標エンジン回転数tNeがリングギヤ回転数Nrより低くなるような場合には、クラッチ28を開放して無段変速機18を変速制御するとともに発電機14を減速制御することにより、エンジン回転数を目標回転数tNeに維持することができる。このように、幅広い運転領域で、エンジン回転数を目標回転数に効率的に維持することができ、燃費及び出力の向上を図ることができる。
【0031】
好ましくは、上述したステップS14の判断が既定値以上継統するかをカウントし、既定値以上継続する場合にのみ、遊星固定モードから遊星差動モード、あるいは遊星差動モードから遊星固定モードへ移行する。すなわち、目標エンジン回転数tNeがリングギヤ回転数Nr以上であることを含む第1の条件又は目標エンジン回転数tNeがリングギヤ回転数Nrより低いことを含む第2の条件が所定期間継続するまで、ロックアップクラッチ28の締結−開放を禁止する(切換禁止手段)。これにより、ロックアップクラッチ28の締結・開放の切換が過度に繰り返されることを防止でき、無駄なエネルギーロスを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に係る車両のトルク制御装置を示す概略構成図。
【図2】本実施例に係る遊星歯車機構の共線図。
【図3】同じく本実施例に係る遊星歯車機構の共線図。
【図4】エンジンの回転数−トルク特性を示す特性図。
【図5】本実施例の制御の流れを示すフローチャートの一部。
【図6】モータ走行モードの処理内容を示す上記フローチャートの一部。
【図7】エンジン走行モードの処理内容を示す上記フローチャートの一部。
【図8】エンジン始動モードの処理内容を示す上記フローチャートの一部。
【図9】遊星固定モードの処理内容を示す上記フローチャートの一部。
【図10】遊星差動モードの処理内容を示す上記フローチャートの一部。
【符号の説明】
10…エンジン
12…モータ
14…発電機
16…遊星歯車機構(差動歯車装置)
16a…サンギヤ(第1の歯車要素)
16b…リングギヤ(第3の歯車要素)
16d…キャリア(第2の歯車要素)
18…無段変速機
20…車輪
24…バッテリ
28…ロックアップクラッチ
Claims (6)
- 発電機に接続する第1の歯車要素と、エンジンに接続する第2の歯車要素と、駆動輪に接続する第3の歯車要素と、を有する差動歯車装置と、
第3の歯車要素と駆動輪との間の動力伝達経路に設けられる無段変速機と、
第2の歯車要素と第3の歯車要素とをロックアップ可能なクラッチと、
車両運転状態に基づいて目標エンジン回転数を設定する手段と、
上記第3の歯車要素の回転数に相当する第3歯車回転数を検出又は推定する手段と、
この第3歯車回転数が目標エンジン回転数へ近づくように、車速に基づいて無段変速機を変速制御する変速制御手段と、
上記目標エンジン回転数と第3歯車回転数とを比較する比較手段と、
少なくとも目標エンジン回転数が第3歯車回転数以上であることを含む第1の条件のときに、クラッチを締結し、少なくとも目標エンジン回転数が第3歯車回転数より低いことを含む第2の条件のときに、クラッチを開放するクラッチ切換手段と、
上記第2の条件のときに、エンジン回転数が目標エンジン回転数へ近づくように発電機を制御する発電機制御手段と、
を有する車両の駆動制御装置。 - 上記第3歯車回転数が、無段変速機の変速比が最小のときの第3の歯車要素の回転数に相当する請求項1に記載の車両の駆動制御装置。
- 上記第1の条件又は第2の条件が所定期間継続するまで、上記クラッチ切換手段によるクラッチの締結−開放の切換を禁止する切換禁止手段を有する請求項1又は2に記載の車両の駆動制御装置。
- 第3の歯車要素と無段変速機の間に走行用モータを有する請求項1〜3のいずれかに記載の車両の駆動制御装置。
- 上記差動歯車装置が遊星歯車機構であり、第1の歯車要素がサンギヤ、第2の歯車要素がプラネタリギヤを支持するキャリア、第3の歯車要素がリングギヤである請求項1〜4のいずれかに記載の車両の駆動制御装置。
- 上記発電機制御手段は、上記第2の条件のとき、発電機を減速制御する請求項1〜5のいずれかに記載の車両の駆動制御装置。
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